Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ работ по применению на подвижном составе устройств безопасности для защиты при лобовых столкновениях и с препятствием на пути .
1.1. Скоростной подвижной состав. 11
1.2. Подвижной состав со скоростями движения до 160 км/ч. 17
1.3. Анализ нормативных документов и требований, предъявляемых к устройствам безопасности. 27
1.4. Принципы построения устройств безопасности 39
2. Методы, применяемые при разработке защитных устройств подвижного состава .
2.1. Экспериментальные методы. 52
2.2. Аналитические методы моделирования. 58
2.3. Компьютерные методы моделирования процессов удара и разрушения . 63
2.4. Методика решения задач удара и разрушения с помощью моделирующих программ.
2.4.1. Принципы моделирования ударных взаимодействий. 68
2.4.2. Характеристики материалов и их модели. 78
2.4.3. Оценка адекватности моделей используемых материалов. 91
3. Анализ принципов построения устройств пассивной безопасности.
3.1. Исследование поглощающей способности аппаратов автосцепок. 98
3.2. Исследование поглощающей способности конструкций кузовов .
3.2.1. Исследование поглощающей способности головного вагона 107
3.2.2. Исследование продольной прочности рамы головного вагона 118
3.3.Исследование поглощающей способности специальных методов конструирования головной части ЭПС. 123
3.4. Исследование поглощающей способности различных конструкций буферных устройств.
3.4.1. Исследование упругого буферного устройства 144
3.4.2. Исследование деформируемого блока со средним уровнем поглощения энергии 150
3.4.3. Исследование сотового деформируемого блока 169
3.4.4. Исследование устройства против «налезания» 191
4. Разработка методики построения устройств безопасности для защиты при лобовых и боковых столкновениях с препятствием на пути .
4.1. Исследование характеристик устройств безопасности при столкновениях с препятствиями на пути для пригородного моторвагонного подвижного состава. 194
4.2. Исследование характеристик устройств безопасности при столкновениях с препятствиями на пути для скоростного моторвагонного подвижного состава . 200
4.3. Обоснование расчётных режимов, отражающих реальные ситуации на участках ж.д. при эксплуатации подвижного состава. 211
4.4. Разработка требований к устройствам поглощения в зависимости от категории электроподвижного состава. 217
Заключение. 221
Литература.
- Подвижной состав со скоростями движения до 160 км/ч.
- Компьютерные методы моделирования процессов удара и разрушения
- Исследование поглощающей способности конструкций кузовов
- Исследование характеристик устройств безопасности при столкновениях с препятствиями на пути для скоростного моторвагонного подвижного состава
Введение к работе
Столкновения поездов друг с другом или с путевыми тупиковыми упорами могут иметь тяжелые последствия, как для подвижного состава, так и для пассажиров. Между тем в течение всего времени существования железных дорог подвижной состав конструировали в основном с учетом эксплуатационных нагрузок и с целью, главным образом, обеспечить сохранность грузов, что противоречило необходимости снижения динамических нагрузок на тех, кто находится внутри подвижного состава. Несчастные случаи на железных дорогах, произошедшие в последнее время, стали причиной серьезных сомнений в приемлемости прежних критериев проектирования подвижного состава.
Обзор литературы указывает на непосредственную зависимость железнодорожных крушений и аварий от состояния производственной базы и качества перевозочного процесса. Общие причины происшествий на железнодорожном транспорте многообразны и связаны прежде всего с естественным физическим износом технических средств и нарушением правил их эксплуатации, а в ряде случаев - и с некоторыми неизбежными факторами урбанизации и научно-технической революции, усложнением технологий, увеличением численности, мощности и скорости транспортных средств, ростом плотности населения вблизи железнодорожных объектов и несоблюдением населением правил личной безопасности.
До недавнего времени железные дороги считались наиболее безопасным видом транспорта. Однако в последнее время уровень его безопасности постоянно снижается. Статические данные последних лет свидетельствуют о значительном числе пострадавших и погибших в результате крушений пассажирских поездов. Аварийные ситуации при перевозке по железным дорогам опасных и особо опасных грузов приводят к значительным разрушениям, заражению местности и поражению токсичными веществами больших масс людей. При ликвидации последствий таких инцидентов помимо организации медицинской помощи пострадавшим необходимо проведение комплекса природоохранных мер.
Приведенные примеры наиболее крупных и различных по характеру крушений и аварий на железных дорогах за период с 1988 г. свидетельствуют о больших масштабах и тяжести нанесенного ими ущерба.
Июнь 1988 г., станция Арзамас-1: взрыв трех вагонов с промышленными взрывчатыми веществами. Погиб 91 чел., ранены 840, 2000 чел. лишились жилья. Одна из версий причины - утечка газа в газопроводе под железнодорожными путями.
Август 1988 г., в 20 км от станции Бологое Октябрьской дороги: крушение скоростного пассажирского поезда "Аврора" (сход вагонов с возникновением пожара). Погиб 31 чел., ранены около 180.
Октябрь 1988 г., станция Свердловск-Сортировочный: взрыв вагона с промышленным взрывчатым веществом. Погибли 4 чел., ранены 500. Причинен значительный материальный ущерб, разрушены промышленные и жилые здания (потери на сумму более 100 млн. руб.). Одной из основных причин происшествия явилось несоответствие международным требованиям упаковки и условий транспортировки особо опасных грузов.
Июль 1989 г., участок между Челябинском и Уфой: взрыв конденсата газа с возникновением пожара на продуктопроводе вблизи железнодорожного полотна во время прохождения двух пассажирских поездов. Погибли около 340 чел., госпитализированы более 800, из них 115 детей (97 чел. в тяжелом состоянии).
Август 1994 г., перегон между станциями Уразово и Тополи Юго-Восточной дороги: столкновение пассажирского поезда с грузовым. Погибли 20 чел., ранены 52.
Май 1996 г., станция Литвинове Западно-Сибирской дороги: столкновение электропоезда с грузовым. Погибли 17 чел., ранены более 100.
Май 1996 г., станция Мыслец Горьковской дороги: авария грузового поезда с опрокидыванием 23 вагонов-цистерн, разливом фенола и дизельного топлива с возгоранием последнего. Более 100 чел. получили отравление фенолом легкой и средней степени тяжести. Фенолом и дизельным топливом загрязнены почва и водоемы на значительном расстоянии от места происшествия. Причинен значительный материальный ущерб, в основном за счет проведения большого комплекса природоохранных мероприятий.
Октябрь 1996 г., Северо-Кавказская дорога: наезд на автобус с детьми. Погибли 22 школьника, более 50 пострадали.
Это далеко не полный перечень трагических событий на железных дорогах. О тяжести последствий ЧС на железнодорожном транспорте за 1991 - 1997 гг. свидетельствуют и такие обобщенные данные: произошло 566 крушений и аварий, из них 243 с пассажирскими поездами; пострадали 2600 чел., из них около 1000 госпитализированы (в больницах умерли 75 чел.), остальным была оказана амбулаторная помощь; число погибших на месте происшествия при наиболее крупных катастрофах достигало 23 %, а в отдельных случаях и более. железнодорожный транспорт понес значительный материальный ущерб: разбиты и повреждены 4268 вагонов, 68 локомотивов и других технических средств.
Этот недостаток нельзя устранить сразу. Однако можно добиться повышения уровня безопасности пассажиров в поездах, используя новый подход к конструированию подвижного состава будущего, предусматривающий наличие в его конструкции устройств снижения динамических нагрузок при соударениях, включая деформируемые конструктивные элементы в торцах подвижного состава. Обеспечение безопасности пассажиров является одним из важных требований, которое предъявляется к конструкциям пассажирского подвижного состава.
Актуальность проблемы.
В настоящее время существует единственный нормативный документ, содержащий минимальные требования к устройству защиты от столкновения нового моторвагонного подвижного состава с препятствием на пути («Технические требования МПС РФ для моторвагонного подвижного состава» от 06.03.2003.) В этом документе указывается только о применении в конструкции электропоездов поглощающих аппаратов автосцепки энергоёмкостью 20 кДж и аварийных устройств энергоёмкостью 750 кДж (для головного вагона).
Анализ аварийных ситуаций при эксплуатации подвижного состава показал, что выполнение этих требований недостаточно для защиты пассажиров и локомотивной бригады.
В последнее время техническая база электронных устройств безопасности движения претерпела глубокую модернизацию, но аварийные ситуации продолжают происходить.
Для успешного повышения скоростей движения поездов на железных дорогах при увеличении пассажиропотока необходимы нормативные требования, выполнение которых обеспечивает безопасность пассажиров и локомотивной бригады при аварийных ситуациях, а также рекомендации по проектированию систем пассивной защиты.
Цель работы.
Повышение безопасности пассажиров и локомотивной бригады при аварийных столкновениях электропоездов за счёт устройства систем пассивной защиты головного вагона.
Для достижения поставленной цели автор решает следующие задачи: разработка методики моделирования ударных процессов в конструкциях кузовов электропоездов при их столкновениях; формирование расчётных сценариев для моделирования аварийных ситуаций при столкновении подвижного состава с препятствием на пути в условиях эксплуатации; исследование прочности и энергоёмкости конструкций кузовов электропоездов при ударных нагрузках с учётом нелинейных характеристик материалов при их пластических деформациях; разработка схем защиты головных вагонов электропоездов со скоростями движения до 160 км/ч и свыше; выбор рациональных параметров элементов схем пассивной защиты от столкновения для электропоездов; разработка требований по пассивной безопасности электропоездов, эксплуатирующихся на территории Российской Федерации.
Методика исследования.
Для анализа ударных процессов и напряжённо-деформированного состояния при упругой и упруго-пластической деформации конструкций кузовов электропоездов применено компьютерное моделирование с использованием программных комплексов MSC.Dytran, MSC.Nastran, реализующих метод конечных элементов (МКЭ). Для решения частных задач использовались методы теоретической механики и сопротивления материалов.
При выборе моделируемых режимов учитывались требования ГОСТ, ИСО, нормативно-технических и инструктивно-распорядительных документов ОАО «РЖД» (Указания, Инструкции, Правила, и т.п.).
Адекватность разработанных моделей подтверждалась по характеристикам применяемых при моделировании материалов и сравнением характера моделируемых разрушений конструкций с разрушениями ,получаемыми при аварийных столкновениях в условиях эксплуатации.
Научная новизна состоит в разработке: - математической модели ударных процессов, возникающих из-за столкновения вагонов электропоездов с препятствиями, с учётом поглощения энергии защитными устройствами при работе материалов в области пластических деформаций; - методики проектирования систем пассивной безопасности для разных типов электропоездов.
Практическая значимость.
Разработанные методы исследований и полученные результаты могут найти применение:
В нормативно-технических и распорядительных документах МПС в виде требований по пассивной безопасности к электропоездам со скоростями движения до 160 км/ч и свыше 160 км/ч.
В типовых методиках испытаний подвижного состава системы сертификации, технических регламентов по сертификации на федеральном железнодорожном транспорте, в требованиях к составным частям и агрегатам электроподвижного состава по воспринимаемым нагрузкам, величине деформации, необходимой энергоёмкости и методам их расчёта.
В Нормах для проектирования, расчётов и оценки прочности вагонов электропоездов.
При создании конструкций новых электропоездов со скоростями движения до 160 км/ч и свыше 160 км/ч.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения и списка литературы.
Работа изложена на 231 стр., включая 194 стр. машинописного текста, 121 рисунков, 1 таблицы, списка литературы из 95 наименований.
Публикации и апробация работы.
Основное содержание диссертации и результаты выполненных исследований опубликованы в периодических научных изданиях:
Сборники трудов конференции по безопасности движения МИИТ 2003-2005.
Сборники трудов Всероссийской конференции MSC-Software 2002-2005.
Сборники трудов «Неделя науки» 2003-2005. «Вестник МИИТа» 2004.
Основные положения диссертации доложены на:
Конференции по безопасности движения МИИТ 2003-2005.
Всероссийские конференции MSC-Software 2002-2005.
Подвижной состав со скоростями движения до 160 км/ч.
Устройства безопасности для подвижного состава со скоростями движения менее 160 км/ч имеют свою специфику.
Существует две точки зрения относительно улучшения защитных свойств кузовов. По одной - повышение прочности несущей конструкции кузова до уровня возникающих при соударении продольных сил. Другая — снижение величин возникающих продольных сил до уровня соответствующего прочности несущей конструкции кузова [46, 47, 48].
Увеличение прочности кузовов до уровня, обеспечивающего восприятие продольных сил при скоростях соударений до 20 км/ч в зоне только упругих деформаций, вызывает рост уровня возникающих при этом продольных сил до 6-7 МН [46]. Это соответствует недопустимо большим нагрузкам на пассажиров (до 10g при допускаемой величине 5g). Следовательно, это направление не решает главной задачи обеспечения безопасности пассажиров, так как одним из важных условий является низкий уровень перегрузок (продольных сил).
Исследования [46] показывают, что при работе конструкции не только в упругой, но и в пластической зоне деформирования уровень продольных сил значительно ниже, чем в высокопрочных конструкциях (до 4 МН).
Обобщенным показателем защитных свойств кузовов, определяющим уровень продольных сил, является суммарная энергоемкость соударяющихся экипажей, отнесенных к уровню продольных сил.
Для повышения энергоемкости конструкции можно использовать специальные буферные устройства или специальные вставки, которые не являются несущими элементами при штатной работе, а предназначены для аварийных случаев. В случае столкновения вагонов они могут быть легко заменены на новые. Рассмотрим методы, применяемые для реализации этой задачи. Практика некоторых зарубежных дорог показывает, что перевозку пассажиров, целесообразно выполнять в вагонах, оборудованных подвижными хребтовыми балками. В зависимости от расположения хребтовых балок относительно рам тележек различают кузова неохватывающего и охватывающего типов. В кузовах неохватывающего типа хребтовые балки расположены над рамой тележки. При этом центр тяжести поперечного сечения главной рамы находится на значительной высоте над продольной осью автосцепок, и в раме при приложении продольных сил одновременно с напряжениями растяжения или сжатия возникают значительные напряжения от изгибов. Необходимость обеспечить прочность рамы при действии продольных сил приводит к ее утяжелению.
В кузовах охватывающего типа продольные балки главной рамы разносят на наибольшие расстояния, допускаемые габаритом, и располагают их так, что они охватывают раму тележки. При этом эксцентриситет продольной силы имеет меньшее значение, и рама оказывается легче, чем при неохватывающем кузове.
Рассмотрим процесс соударения вагонов, оборудованных подвижными хребтовыми балками (см. рисунок 1.6), приняв для упрощения, что все связи упругие линейные [46].
Аналогично могут быть получены формулы для вычисления деформаций связей в случае соударения вагона, оборудованного подвижной хребтовой балкой, с вагоном обычной конструкции и массой my=mi+m2. Входящие в формулу (1.3) частоты в этом случае будут: P\a=V 2 где аА = - -2 В таблице 1.1 приведены результаты расчетов по формулам (1.1) и (1.3) сил взаимодействия при соударении со скоростью v = 4,2 м/с (15 км/ч) вагонов для случаев: 1) оба вагона оборудованы подвижными хребтовыми балками и имеют параметры ту =82 т; Ш2 = 3 т; Cj=2 МН/м; Cj= 17 МН/м; 2) один вагон оборудован подвижной хребтовой балкой, как и в первом случае, а другой — обычный массой тз = 85 т; 3) оба вагона массами ті=Ш2 = 85 т с обычными неподвижными хребтовыми балками рамы кузова.
Из полученных результатов видно, что благодаря подвижной хребтовой балке резко уменьшаются силы взаимодействия вагонов при маневровых соударениях и особенно хорошо защищаются от динамических перегрузок кузов вагона и находящийся в нем пассажиров.
Если подвергнуть соударению с той же скоростью вагоны, не оборудованные подвижными балками (3-й случай), то сила в соединении вагонов возрастает доЗ,5МН; она почти целиком должна передаваться кузову и создаст в нем ускорение более 40 м/с (более 4g).
Компьютерные методы моделирования процессов удара и разрушения
Экспериментальные методы хоть и дают наиболее точные результаты, достаточно дороги и требуют больших временных затрат. Кроме того, появляется необходимость в больших лабораторных стендах и в дорогостоящей сложной аппаратуре.
Вместо этого применяют расчет с помощью электронных вычислительных комплексов на основе метода конечных элементов, как численного метода решения дифференциальных уравнений, описывающих деформации упругих конструкций. Такое применение связано с универсальностью данного метода и его пригодности к автоматизации расчетного процесса.
Многие организации и специалисты для расчетов несущих узлов вагонов используют различные универсальные программные комплексы (LS DYNA, MSC.Dytran, PAMCRASH и др.), в которых применяется метод конечных элементов (МКЭ).
По методу конечных элементов, с учетом пластических деформаций общая энергия при ударе: Еобщ = Ев + Екин, (2.16) Внутренняя энергия: Ев = Ео + Ед где Ед - деформационная составляющая энергии, Дж Е0 - составляющая, идущая на изменение внутреннего деформируемого объема, Дж
Таким образом, используя программное обеспечение, при проектировании кузова подвижного состава можно прогнозировать его поведение при соударении и предусмотреть изменения в конструкции, повышающие его сопротивление удару. Например, усилить некоторые конструктивные элементы или включить в конструкцию заведомо слабые зоны, которые будут первыми воспринимать ударные нагрузки и при этом деформироваться, поглощая большую часть энергии. Часть конечно-элементной модели - модель головной части кузова электропоезда, используемая при расчетах по методу конечных элементов, приведена на рисунке 2.7.
В работе использован программный комплекс MSC.Dytran, использующий явный метод интегрирования дифференциальных уравнений [5 9]. Это дало возможность моделировать ударную нагрузку, не имитируя её действие статической. Это также даёт возможность исследовать поведение конструкции при ударной нагрузке с учётом упругости и пластичности соударяющихся конструкций.
Система дифференциальных уравнений в матричной форме и её решение [58, 59] имеет вид:
При исследованиях поведения подвижного состава в случае столкновения с препятствием на пути используются сложные пространственные модели, учитывающие внешние факторы воздействия, массу и расположение препятствий, взаимную скорость объектов и т.п. Пример сложной компьютерной пространственной модели представлен на рисунке 2.9. Однако применение такой модели требует больших машинных ресMSC.DYTRAN - это профаммный продукт для анализа быстротекущих процессов, нелинейных задач, конструкций и жидкостей. Используется явный метод интефирования с включением особенностей, которые позволяют моделировать широкий диапазон характеристик материалов и геометрические нелинейности.
Особенно хорошо этот профаммный продукт подходит для анализа коротких по времени развивающихся динамических процессов, которые имеют большие деформации, высокую степень нелинейности и взаимодействие между жидкостью и конструкцией.
Один из недостатков компьютерного моделирования - это не способность учесть все офаничения и нафузки, которые воздействуют на конструкцию в условиях эксплуатации. Для упрощения решаемой задачи и сокращения расчётного времени необходимо определить офаничения и нафузки, воздействие которых наибольшим образом влияет на требуемый нам результат.
Для решения задачи столкновения электропоезда с препятствием на пути учитываются следующие фаничные и начальные условия: - препятствие - недеформируемая, жёсткозакреплённая поверхность; - электропоезд - состав из 6-тивагонов, имеющий массы с учётом загрузки пассажирами; - головной вагон электропоезда моделируется подробно с проработкой геометрии, последующие 5 - недеформируемыми параллелепипедами; - масса пассажиров, навесного оборудования, тележек учитывается посредством распределённых масс; - головной вагон содержит автосцепку с поглощающим аппаратом (наличие хода, упругости и демпфирования); - связь между вагонами состава осуществляется посредством сцепного устройства с поглощающими аппаратами (наличие хода, упругости и демпфирования); - вагоны состава имеют одну степень свободы - вдоль оси пути.
Факторы, воздействием которых можно пренебречь при решении задачи столкновения электропоезда с препятствием на пути: - гравитационные силы, - силы ветрового давления, - неравномерность распределения пассажиров по головному вагону, - упругие свойства вагонов состава (со 2-го по 6-ой), и т.д.
Зачастую, при решении задачи с помощью компьютерного моделирования нет необходимости полностью воспроизводить все геометрические формы конструкции. В большинстве случаев целесообразно представить основную деформируемую часть модели в виде конечных элементов, а второстепенные элементы либо исключить из расчёта, либо представить в виде комплекса масс, ограничений и нагрузок, имитирующих поведение исключённых частей конструкции. урсов или больших времен моделирования, измеряемых сутками.
Исследование поглощающей способности конструкций кузовов
Повысить уровень безопасности движения поездов можно благодаря реализации принципа управляемой энергетики столкновений, что подразумевает разработку современных ударно-сцепных устройств с эффективными устройствами для поглощения энергии. Развитие сцепных устройств проходило в основном по пути совершенствования механической части и повышения прочности на растяжение и сжатие. Поглощению энергии и уменьшению ускорений при соударениях подвижного состава уделялось недостаточное внимание. Амортизирующие устройства по концам подвижного состава в основном имели неудовлетворительные характеристики.
До настоящего времени на Европейских железных дорогах в межвагонных соединениях зачастую применяются цепная упряжь и торцовые буферы, имеющие двойное назначение - поглощающие аппараты и защитные аварийные устройства. В нашей стране использование поглощающих аппаратов высокой энергоёмкости в ударно-сцепных приборах позволяет в значительной мере ограничивать величину ускорений и вызываемых ими неблагоприятных последствий, особенно при столкновениях на малых скоростях (до 12 км/ч).
В технических требованиях к современному подвижному составу уже закладывается большое ограничение возникающих при столкновениях ударных нагрузок, но по практическим соображениям решение проблем защиты концентрируется на улучшении конструкции подвижного состава в месте расположения кабин управления, когда кинетическая энергия соударения поглощается за счёт деформации конструктивных элементов кузова. Степень повреждения подвижного состава и тяжесть ранений пассажиров здесь определяются деформируемостью конструкции и её способностью противостоять наползанию вагонов друг на друга.
С учётом отмеченного в разделе рассматривается обобщённая концепция поглощения энергии столкновения по всей длине состава по мере его замедления [41]. Это называется управляемой энергетикой столкновения.
Обеспечение сочетания межвагонных перемещений и достаточного поглощения энергии в межвагонных соединениях лежит в основе управления энергетикой столкновений. На практике межвагонные усилия и, соответственно, перемещения зависят от имеющихся сцепных устройств. Эти устройства пассивны и только реагируют на поведение единиц подвижного состава.
Подбор ударно-сцепных приборов и поглощающих аппаратов производится по техническим условиям железных дорог или изготовителей. Обычно раньше использовались простые пружины с небольшими возможностями по рассеянию энергии. Позднее технические требования ужесточились, поглощающие аппараты должны иметь более высокие характеристики, что обусловлено ограничениями по скоростям соударения и ускорениям. В общем случае можно рассматривать три типа таких устройств с восстанавливаемыми свойствами — упругие (с применением резины), пружинные (винтовые и кольцевые пружины и с применением твердых эластомеров) и абсорбционные (гидравлические и с применением жидких эластомеров).
На конструкции ударно-сцепных устройств в межвагонных соединениях накладываются ограничения по ходу поглощающих устройств, их вылету и т.п. в зависимости от длины вагонов, крутизны кривых и даже длины пассажирских платформ на станциях. Следует также иметь в виду, что расчётные ускорения относятся к подвижному составу, а не к находящимся в нём пассажирам. Вместе с тем сведение усилий к минимуму уменьшает склонность вагонов к наползанию друг на друга и снижает повреждаемость подвижного состава при столкновениях.
Для обеспечения эффективной защиты автосцепные устройства должны в частности: обеспечивать минимальные усилия при соударениях, т.е. иметь благоприятные силовые диаграммы с КПД не менее 70%; адекватно реагировать на скорость соударения, т.е. иметь благоприятную зависимость усилий от скорости; интенсивно рассеивать поглощённую энергию, т.е. иметь отношение рассеянной энергии ко всей поглощённой энергии не менее 90%.
Три наиболее распространенных типа поглощающих аппаратов в зависимости от используемых в них материалов различаются по характеру их силовых диаграмм (рисунок 3.1). Поглощающие аппараты с резиновыми элементами имеют диаграмму подлинейной формы, пружинные и фрикционные поглощающие аппараты — линейной формы, гидравлические поглощающие аппараты — надлинейной формы. Эти диаграммы иллюстрируют различие характеристик поглощающих аппаратов и используются при расчетах явлений, имеющих место при простых соударениях единиц подвижного состава друг с другом или с тупиковыми упорами. В идеале такая диаграмма, отражающая соотношение усилия и сжатия, должна быть почти прямоугольной с тем, чтобы добиться максимальной величины КПД. У диаграммы подлинейной формы КПД составляет примерно 30 %, линейной — 50-60 %, надлинейной — до 80 %. Кроме того, характеристики поглощающих аппаратов должны быть неизменными в широком диапазоне скоростей соударения, т. е. аппараты должны иметь приспособляемость к скорости.
Исследование характеристик устройств безопасности при столкновениях с препятствиями на пути для скоростного моторвагонного подвижного состава
Сотовый блок с использованием алюминия имеет силу потери несущей способности на уровне 2 МН, что ниже предела потери устойчивости кузова высокоскоростного поезда. Стоит так же отметить, что потеря устойчивости происходит плавно практически с самого начала нагружения. Это является большим плюсом данной конструкции.
Представленные данные позволяют сделать вывод о предпочтительности использования для сотовых защитных буферов алюминиевых сплавов. Схема построения устройства, использованная при расчётах, может быть использована в качестве защитного устройства для высокоскоростных электропоездов. Однако для построения средств защиты необходимо учитывать конструктивные особенности прочностные характеристики конкретной модели головного вагона.
Проведено исследование характеристик деформируемых сотовых блоков с высоким уровнем поглощения энергии. Получены зависимости характеристик устройств от изменяемых параметров (материал - алюминий и сталь, толщина стенок - 0,8-1,2мм, толщины промежуточных полок). Выбраны оптимальные параметры деформируемых сотовых блоков с точки зрения обеспечения максимальной энергоёмкости при минимальном продольном ускорении и силе.
В качестве оптимального определён алюминиевый деформируемый сотовый блок с высоким уровнем поглощения энергии, рабочими элементами коробчатого сечения, толщиной листов 2,8 мм и промежуточными стальными полками.
Согласно схемам энергопоглощения, сформированным в главе 1.4, в качестве защитного устройства для подвижного состава со скоростями движения до 160 км/ч при столкновении по всем сценариям определено устройства от «налезания». Существует необходимость определения параметров этого устройства достаточных для обеспечения защиты от взаимного проникновения вагонов.
Проводится расчёт специального защитного устройства, предотвращающего подобные формы повреждений подвижного состава. Основная нагрузка для исследуемого компонента - вертикальная составляющая силы взаимодействия, возникающая в зоне контакта двух единиц подвижного состава при лобовом столкновении по 3-му сценарию. Именно эта составляющая сил взаимодействия приводит к эффекту «налезания» и взаимного проникновения ЭПС. В качестве защитного устройства может быть предложена усиленная полка на лобовой части головного вагона, находящаяся над уровнем автосцепки в зоне соединения рамы и кузова.
Расчёт показал, что устройство способно выдержать вертикальную нагрузку величиной до 3,75 МН, что является достаточным для восприятия сил взаимодействия подвижных единиц [50, 53, 54].
В главе 3 проведено исследование характеристик защитных устройств: сотовых деформируемых буферных блоков с высоким уровнем поглощения энергии, интегрированных модульных деформируемых и недеформируемых вставок, упругих буферных устройств и деформируемых блоков со средним уровнем поглощения энергии. Получены зависимости характеристик устройств от изменяемых параметров (толщина листов, конфигурация стенок, применяемый материал). Выбраны оптимальные параметры всех исследуемых устройств с точки зрения обеспечения максимальной энергоёмкости при минимальном продольном ускорении и силе.
Определены параметры оптимального деформируемого буферного блока со средним уровнем поглощения энергии с толщиной листов 5,5 мм, внутренними диафрагмами и углом наклона стенок 8 из стали 09Г2С.
Определены параметры оптимального сотового блока с высоким уровнем поглощения энергии - алюминиевый, с рабочими элементами коробчатого сечения, толщиной листов 2,8 мм и промежуточными стальными полками.
В качестве защиты от «налезания» вагонов друг на друга принята полка, находящаяся над уровнем автосцепки в зоне соединения рамы и кузова. Материал - сталь 09Г2С.
По результатам исследований пассивной защиты пригородного электроподвижного состава предложена двухступенчатая схема защиты от столкновений с препятствиями на пути, состоящая из упругих буферов и двух деформируемых буферных устройств, расположенных на лобовой стене головного вагона. Сформулированы конструктивные принципы, которым должны удовлетворять разрабатываемые модули поглощения энергии для совместной работы с существующим подвижным составом. Определены конструкция и оптимальные параметры устройств безопасности.
Проведём исследование характеристик пригородного моторвагонного подвижного состава, оборудованного предложенными устройствами.
Для проведения расчётов составлено 3 расчётные конечно-элементные модели (пригородный электропоезд с системой защиты от столкновения с автотранспортом, с системой защиты от лобового столкновения и высокоскоростной электропоезд), с начальными условиями, соответствующими сценариям столкновения для электроподвижного состава со скоростями движения до 160 км/ч (глава 1.3).
Решение задачи столкновения по первому расчётному сценарию с применением упругого резинометаллического буфера требует столь значительных ресурсов, что решение её в такой постановке средствами компьютерных комплексов на базе Intel Pentium 4 становится нецелесообразным.
